幾種常見真空紫外以及軟X-ray 光譜儀的光學設計

     由于真空紫外及軟X-RAY 與可見光及紅外波段在很多光學傳輸性質上的不同，比如，需要真空環境，很低的反射率，無合適的“透明”折射率材料，成像困難，與物質相互作用時，表現出高能粒子的特性，少有衍射 等等。 由于其以上的種種特性，在其光譜儀的設計上，一般需要遵循盡量減少光路中的反射元件，以及采取掠入射等原則。  
以下介紹幾種常見真空紫外以及軟X-ray 光譜儀的光學設計：
 
1、C-T 式：Czerny Turner
 使用大量的平面光柵與分離聚焦和準直鏡，是常用的一種結構。通過光柵旋轉實現了線性波長定位。旋轉點與光柵表面重合。聚焦和準直光學可以是球形、橢圓形、環形或拋物線形，這取決于儀器的要求。這種設計提供了一個CCD探測器平面焦平面。許多用于UV- VIS – IR和真空UV的儀器都采用了這種設計。

主要特點
· 由兩塊凹面鏡完成成像，
· 平面光柵完成衍射
· 可掃描 
· 可成像，像差小
· 可裝配多個光柵
· l>100nm 到中遠紅外
 
為探測更低的波段，可以在此基礎上，采用掠入射的C-T 結構，使得光譜探測范圍低到8nm：
 
· 基于傳統C-T結構
· 掠入射： >80度入射角
· 采用平面光柵
· 良好點到點成像效果
· 高通光量
· 單點掃描或CCD成像探測
· 光譜范圍： 8-120nm
 
2、交叉C-T式 ：Criss Cross C-T
十字交叉C-T光路使入射角小化。這通過減少像差提高了光學性能。Czerny-Turner的交叉光路，在真空或氮氣吹掃下，可以工作在從105nm一直延伸到LWIR。


3、正入射單色儀： Normal Incidence monochromators
正入射單色儀使用凹面光柵來分散和聚焦光。由于減少了光學表面，它們的工作波長可短至30nm。“McPherson 15°”是使用此設計的一個設備；波長驅動器可以旋轉和聚焦光柵，以獲得高光譜分辨率。該儀器適用于CCD和微通道板(MCP)增強探測器。這些設計幾乎都是專為真空紫外線波段而設計；

· 具備理想的成像效果，
· 適合搭配CCD 等探測器使用，
· 可以水平色散或者垂直方面色散使用。
· 焦距： 1m，3m, 6.65m
· 波長范圍： 30-1200nm

4、 Seya-Namioka 設計： 
此設計專為真空紫外設計，在入口和出口縫隙之間使用了70°15'的角度。采用凹面、球面、羅蘭圓光柵。經過改進的光柵可以提高分辨率。這些設計主要用于實驗需要在105nm以下工作，并且需要在狹縫之間有很大的空間來容納實驗室、光源或檢測器的情況。
 
5、 改進型Seya-Namioka 設計：Modified Seya-Namioka
改進的Seya-Namioka 設計或校正全息設計使用了校正凹面全息光柵，該光柵設計減少了散射光，提高了光譜分辨率。我們的234/302光譜儀就是用這種結構，一個緊湊，快速的光學系統，具有良好的分辨率和通光量，可以覆蓋從30nm到可見區域；
 
· 入射和出射狹縫固定，夾角基本固定不變：70度左右；
· 單塊凹面光柵完成成像和衍射
· 通過轉動光柵的方式實現波長掃描。
· 工作波長范圍：30nm 到可見及近紅外波段
· 像差修正--Modified Seya-Nomioka 結構

6、掠入射羅蘭圓結構 Rowland Circle Grazing Incidence
掠入射儀器的工作范圍為~1 ~ >100nm。一條狹縫穿過羅蘭圓，CCD探測器安裝在垂直于出口射線的位置，微通道板增強器與圓相切，可以沿圓掃描以截取感興趣的區域。光也源可以安裝在用于校準系統的掃描狹縫處，作為單色可調光源系統；
 
· 主要原理基于羅蘭圓
· 入射狹縫固定不動，
· 出射狹縫沿羅蘭圓圓周進行掃描采集光譜
· 掠入射入射角大于80度
· 光譜范圍： <1nm—310nm
 
7、平場校準光譜儀 Flat Field Aberration Corrected
平場校準光譜儀依賴于*形狀的光柵基板或像差校正槽的設計和間距。如果感興趣的波長和范圍都是已知且固定不變的，那這種結構就非常有用。其探測范圍有限，且儀器結構非常簡單。由于對光柵的要求，現有的設計很少，而且造價昂貴。它們也是收集低分辨率紫外光譜的有效方法。
· VLS（Variable Line Spacing），可變間距光柵
· 獲得平場焦平面；
· 良好的像差修正
· 超環面基地VLS光柵-像散修正；
· 光譜范圍： 1-20nm 或10-170nm
 
    美國McPherson有限公司是一家專業的光譜儀生產廠商，公司位于波士頓西北部的Chelmsford。在McPherson所有的產品中，除去傳統光譜儀以及高分辨率光譜儀之外，富盛名的就是其真空紫外及軟X-ray光譜儀了，特別是此類產品在*同步加速器以及核聚變研究方面的應用，已經成了光譜測試領域的傳奇。在這些光譜儀中，包括所有上述比較常見多種結構設計，比如Seya-Namioka設計，平場光柵光譜儀以及掠入射光柵光譜儀等，波長范圍可以覆蓋從0.5nm一直到近紅外波段，適合于不同應用的場合。